We have achieved mobilities in excess of 200,000 cm2 V −1 s−1 at electron densities of ∼2 ×1011 cm−2 by suspending single layer graphene. Suspension ∼150 nm above a Si/SiO2 gate electrode and electrical contacts to the graphene was achieved by a combination of electron beam lithography and etching. The specimens were cleaned in situ by employing current-induced heating, directly resulting in a significant improvement of electrical transport. Concomitant with large mobility enhancement, the widths of the characteristic Dirac peaks are reduced by a factor of 10 compared to traditional, nonsuspended devices. This advance should allow for accessing the intrinsic transport properties of graphene.

Summary

 Topologically associating domains (TADs) are fundamental structural and functional building blocks of human interphase chromosomes, yet the mechanisms of TAD formation remain unclear. Here, we propose that loop extrusion underlies TAD formation. In this process, cis-acting loop-extruding factors, likely cohesins, form progressively larger loops but stall at TAD boundaries due to interactions with boundary proteins, including CTCF. Using polymer simulations, we show that this model produces TADs and finer-scale features of Hi-C data. Each TAD emerges from multiple loops dynamically formed through extrusion, contrary to typical illustrations of single static loops. Loop extrusion both explains diverse experimental observations—including the preferential orientation of CTCF motifs, enrichments of architectural proteins at TAD boundaries, and boundary deletion experiments—and makes specific predictions for the depletion of CTCF versus cohesin. Finally, loop extrusion has potentially far-ranging consequences for processes such as enhancer-promoter interactions, orientation-specific chromosomal looping, and compaction of mitotic chromosomes.

ICE (iterative correction and eigenvector decomposition) provides insight into inter- and intrachromosome interaction patterns. Extracting biologically meaningful information from chromosomal interactions obtained with genome-wide chromosome conformation capture (3C) analyses requires the elimination of systematic biases. We present a computational pipeline that integrates a strategy to map sequencing reads with a data-driven method for iterative correction of biases, yielding genome-wide maps of relative contact probabilities. We validate this ICE (iterative correction and eigenvector decomposition) technique on published data obtained by the high-throughput 3C method Hi-C, and we demonstrate that eigenvector decomposition of the obtained maps provides insights into local chromatin states, global patterns of chromosomal interactions, and the conserved organization of human and mouse chromosomes.

Imaging and chromosome conformation capture studies have revealed several layers of chromosome organization, including segregation into megabase-sized active and inactive compartments, and partitioning into sub-megabase domains (TADs). It remains unclear, however, how these layers of organization form, interact with one another and influence genome function. Here we show that deletion of the cohesin-loading factor Nipbl in mouse liver leads to a marked reorganization of chromosomal folding. TADs and associated Hi-C peaks vanish globally, even in the absence of transcriptional changes. By contrast, compartmental segregation is preserved and even reinforced. Strikingly, the disappearance of TADs unmasks a finer compartment structure that accurately reflects the underlying epigenetic landscape. These observations demonstrate that the three-dimensional organization of the genome results from the interplay of two independent mechanisms: cohesin-independent segregation of the genome into fine-scale compartments, defined by chromatin state; and cohesin-dependent formation of TADs, possibly by loop extrusion, which helps to guide distant enhancers to their target genes. Depletion of chromosome-associated cohesin leads to loss of topologically associating domains in interphase chromosomes, without affecting segregation into compartments, and instead, it unmasks a finer compartment structure that reflects local chromatin and transcriptional activity. The nuclear organization of interphase chromosomes is thought to be mediated by architectural protein complexes such as CTCF and cohesin, which are found at loops and at the boundaries of topological domains (TADs). However, experimental depletion of these proteins has shown limited impact on chromosome organization. Here, Francois Spitz and colleagues perform an inducible deletion of the cohesin-loading factor Nipbl in liver cells in mice. They find that depletion of chromosome-associated cohesin leads to the loss of TADs and TAD-associated loops, but segregation of the genome into compartments is preserved and transcription is affected only at a subset of genes. The disappearance of TADs unmasks a finer compartment structure that reflects local transcriptional activity. Genome organization therefore seems to result from two distinct mechanisms with different requirements for cohesin.

Chromosome Conundrum The three-dimensional organization of chromosomal DNA within the cell nucleus plays an important role in gene regulation. Naumova et al. (p. 948 , published online 7 November; see the Perspective by Kleckner et al. ) used chromosome conformation capture-based methods in human tissue culture cells to analyze the higher order folding of human chromosomes across the cell cycle. During interphase the chromosomes showed locus-specific compart-mentalization. In mitotic cells, on the other hand, the chromosome organization was more linear, consistent with arrays of consecutive chromatin loops.

Using super-resolution imaging to directly observe the three-dimensional organization of Drosophila chromatin at a scale spanning sizes from individual genes to entire gene regulatory domains, the authors find that transcriptionally active, inactive and Polycomb-repressed chromatin states each have a distinct spatial organisation. How chromatin is folded in the nucleus has important implications for many biological processes, from the regulation of gene expression to DNA replication. Here Xiaowei Zhuang and colleagues use super-resolution imaging to directly observe the organization of Drosophila chromatin at a scale spanning the sizes of individual genes and gene regulatory domains. They find that transcriptionally active, inactive, and Polycomb-repressed chromatin states each have a distinct spatial organization. Transcriptionally inactive chromatin resembles the fractal globule state of a polymer, whereas Polycomb domains have a unique compact organization and spatial isolation from other domains, explaining why gene expression is so strongly repressed in this state. Metazoan genomes are spatially organized at multiple scales, from packaging of DNA around individual nucleosomes to segregation of whole chromosomes into distinct territories1,2,3,4,5. At the intermediate scale of kilobases to megabases, which encompasses the sizes of genes, gene clusters and regulatory domains, the three-dimensional (3D) organization of DNA is implicated in multiple gene regulatory mechanisms2,3,4,6,7,8, but understanding this organization remains a challenge. At this scale, the genome is partitioned into domains of different epigenetic states that are essential for regulating gene expression9,10,11. Here we investigate the 3D organization of chromatin in different epigenetic states using super-resolution imaging. We classified genomic domains in Drosophila cells into transcriptionally active, inactive or Polycomb-repressed states, and observed distinct chromatin organizations for each state. All three types of chromatin domains exhibit power-law scaling between their physical sizes in 3D and their domain lengths, but each type has a distinct scaling exponent. Polycomb-repressed domains show the densest packing and most intriguing chromatin folding behaviour, in which chromatin packing density increases with domain length. Distinct from the self-similar organization displayed by transcriptionally active and inactive chromatin, the Polycomb-repressed domains are characterized by a high degree of chromatin intermixing within the domain. Moreover, compared to inactive domains, Polycomb-repressed domains spatially exclude neighbouring active chromatin to a much stronger degree. Computational modelling and knockdown experiments suggest that reversible chromatin interactions mediated by Polycomb-group proteins play an important role in these unique packaging properties of the repressed chromatin. Taken together, our super-resolution images reveal distinct chromatin packaging for different epigenetic states at the kilobase-to-megabase scale, a length scale that is directly relevant to genome regulation.

Significance Human DNA is 2 m long and is folded into a 10-μm-sized cellular nucleus. Experiments have revealed two major features of genome organization: Segregation of alternating active and inactive regions into compartments, and formation of compacted local domains. These were hypothesized to be formed by different mechanisms: Compartments can be formed by microphase separation and domains by active, motor-driven, loop extrusion. Here, we integrate these mechanisms into a polymer model and show that their interplay coherently explains diverse experimental data for wild-type and mutant cells. Our results provide a framework for the interpretation of chromosome organization in cellular phenotypes and highlight that chromatin is a complex, active matter shaped by an interplay of phase segregation and loop extrusion.

The nucleus of mammalian cells displays a distinct spatial segregation of active euchromatic and inactive heterochromatic regions of the genome1,2. In conventional nuclei, microscopy shows that euchromatin is localized in the nuclear interior and heterochromatin at the nuclear periphery1,2. Genome-wide chromosome conformation capture (Hi-C) analyses show this segregation as a plaid pattern of contact enrichment within euchromatin and heterochromatin compartments3, and depletion between them. Many mechanisms for the formation of compartments have been proposed, such as attraction of heterochromatin to the nuclear lamina2,4, preferential attraction of similar chromatin to each other1,4–12, higher levels of chromatin mobility in active chromatin13–15 and transcription-related clustering of euchromatin16,17. However, these hypotheses have remained inconclusive, owing to the difficulty of disentangling intra-chromatin and chromatin–lamina interactions in conventional nuclei18. The marked reorganization of interphase chromosomes in the inverted nuclei of rods in nocturnal mammals19,20 provides an opportunity to elucidate the mechanisms that underlie spatial compartmentalization. Here we combine Hi-C analysis of inverted rod nuclei with microscopy and polymer simulations. We find that attractions between heterochromatic regions are crucial for establishing both compartmentalization and the concentric shells of pericentromeric heterochromatin, facultative heterochromatin and euchromatin in the inverted nucleus. When interactions between heterochromatin and the lamina are added, the same model recreates the conventional nuclear organization. In addition, our models allow us to rule out mechanisms of compartmentalization that involve strong euchromatin interactions. Together, our experiments and modelling suggest that attractions between heterochromatic regions are essential for the phase separation of the active and inactive genome in inverted and conventional nuclei, whereas interactions of the chromatin with the lamina are necessary to build the conventional architecture from these segregated phases. Attractions between heterochromatic regions are essential for phase separation of the active and inactive genome in inverted and conventional nuclei, whereas chromatin–lamina interactions are necessary to build the conventional genomic architecture from these segregated phases.

Mammalian interphase chromosomes interact with the nuclear lamina (NL) through hundreds of large lamina-associated domains (LADs). We report a method to map NL contacts genome-wide in single human cells. Analysis of nearly 400 maps reveals a core architecture consisting of gene-poor LADs that contact the NL with high cell-to-cell consistency, interspersed by LADs with more variable NL interactions. The variable contacts tend to be cell-type specific and are more sensitive to changes in genome ploidy than the consistent contacts. Single-cell maps indicate that NL contacts involve multivalent interactions over hundreds of kilobases. Moreover, we observe extensive intra-chromosomal coordination of NL contacts, even over tens of megabases. Such coordinated loci exhibit preferential interactions as detected by Hi-C. Finally, the consistency of NL contacts is inversely linked to gene activity in single cells and correlates positively with the heterochromatic histone modification H3K9me3. These results highlight fundamental principles of single-cell chromatin organization.Video AbstracteyJraWQiOiI4ZjUxYWNhY2IzYjhiNjNlNzFlYmIzYWFmYTU5NmZmYyIsImFsZyI6IlJTMjU2In0.eyJzdWIiOiI4ODQ5MWUxMzY3ZjJjYzMyZGY0ZTUwNDM4ZDkzODI2YiIsImtpZCI6IjhmNTFhY2FjYjNiOGI2M2U3MWViYjNhYWZhNTk2ZmZjIiwiZXhwIjoxNjc4NDQ3NzA5fQ.WDISeQbMars3afd3xU31ad0as2CapR6MBdvrmShLZbNLL7pc4Oa_VcEGoid_8nFRk8gToTt_3kYc1VG3v53Dp3VPaqIy-d5IFFkTbJdYat98x2tWpWt6ONCnsutlxJI_Il6mHghaVyN8qydH-fumo9rQ_uLcfIWaVkgcmSs1YFmIj5IxiAlo0WQNe2ckYcP4hP2AM-VJvaLwOyGINV8Z78bXOw73T0RROTCsI6K5HfTTtleYucPrYM4NLiV2Jl7BM50WQYNPtJZRWmFvAHdCqPh1Cf3CFxSMWblyFINEwDfQhB7L7lN8jlQAO-DGSgRGoqmWnmG6eqcZUGQTFybHXA(mp4, (21.94 MB) Download video

Eukaryotic genomes are folded into three-dimensional structures, such as self-associating topological domains, the borders of which are enriched in cohesin and CCCTC-binding factor (CTCF) required for long-range interactions. How local chromatin interactions govern higher-order folding of chromatin fibres and the function of cohesin in this process remain poorly understood. Here we perform genome-wide chromatin conformation capture (Hi-C) analysis to explore the high-resolution organization of the Schizosaccharomyces pombe genome, which despite its small size exhibits fundamental features found in other eukaryotes. Our analyses of wild-type and mutant strains reveal key elements of chromosome architecture and genome organization. On chromosome arms, small regions of chromatin locally interact to form 'globules'. This feature requires a function of cohesin distinct from its role in sister chromatid cohesion. Cohesin is enriched at globule boundaries and its loss causes disruption of local globule structures and global chromosome territories. By contrast, heterochromatin, which loads cohesin at specific sites including pericentromeric and subtelomeric domains, is dispensable for globule formation but nevertheless affects genome organization. We show that heterochromatin mediates chromatin fibre compaction at centromeres and promotes prominent inter-arm interactions within centromere-proximal regions, providing structural constraints crucial for proper genome organization. Loss of heterochromatin relaxes constraints on chromosomes, causing an increase in intra- and inter-chromosomal interactions. Together, our analyses uncover fundamental genome folding principles that drive higher-order chromosome organization crucial for coordinating nuclear functions.